[논문 리뷰] Selective and Fast Plasmon-Assisted Photo-Heating of Nanomagnets; A New Route for Opto-Activated Nanomagnetic Logic and Artificial Spin Systems

Matteo Pancaldi, Naëmi Leo외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 48인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 나노자기체 및 스핀 시스템을 위한 선택적이고 초고속 열화를 가능하게 하는 비접촉식 광학적 구동 플라스모닉 나노히터를 제안한다. 기하학적으로 길쭉한 나노구조체에서의 편광에 의존하는 플라스모닉 흡수를 활용하여, 수백 켈빈에 이르는 온도 상승을 동반한 피코초 이하의 하향 시간 스케일, 서브레티스펙픽 열화를 실현한다. 이는 자화 역전 및 낮은 극성 감소를 정밀하게 제어할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Thermal relaxation of nanoscale magnetic islands, mimicking Ising macrospins, is indispensable for studies of geometrically frustrated artificial spin systems and low-energy nanomagnetic computation. Currently-used heating schemes based on contact to a thermal reservoir, however, lack the speed and spatial selectivity required for the implementation in technological applications. Applying a hybrid approach by combining a plasmonic nanoheater with a magnetic element, in this work we establish the robust and reliable control of local temperatures in nanomagnetic arrays by contactless optical means. Plasmon-assisted photo-heating allows for temperature increases of up to several hundred Kelvins, which lead to thermally-activated moment reversals and a pronounced reduction of the magnetic coercive field. Furthermore, the polarization-dependent absorption cross section of elongated plasmonic elements enables sublattice-specific heating on sub-nanosecond time scales. Using optical degrees of freedom, i.e. focal position, polarization, power, and pulse length, thermoplasmonic heating of nanomagnets offers itself for the use in flexible, fast, spatially-, and element-selective thermalization for functional magnetic metamaterials.

연구 동기 및 목표

• 기존의 접촉 기반 가열 방법으로 인한 느린 비선택적 열화로 인한 나노자기체 어레이의 한계를 극복하기 위해.
• 저에너지 나노자기계산 응용을 위한 나노자기체 시스템에서 빠르고 공간적으로 해상도가 높으며 요소별 열 제어를 가능하게 하기 위해.
• 기하학적으로 길쭉한 나노구조체에서의 편광에 의존하는 플라스모닉 진동을 이용한 서브레티스펙픽 가열을 구현하기 위해.
• 기능적 자기 메타물질을 위한 고시간 및 고공간 해상도의 열플라스모닉 가열을 실현하기 위해.
• 국소적 비접촉 가열을 통해 자기 극성 및 모멘트 역전을 광학적으로 제어할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 접촉 없는 광학 자극을 가능하게 하기 위해 플라스모닉 나노히터를 나노자기체 도시와 통합하기.
• 기하학적으로 길쭉한 플라스모닉 구조체에서의 편광에 의존하는 흡수를 활용하여 서브레티스펙픽 가열을 실현하기.
• 가열 위치 및 강도를 정밀하게 제어하기 위해 초점 위치, 편광, 출력 및 펄스 길이 등의 광학적 매개변수를 활용하기.
• 국소 표면 플라스모닉 공진을 이용하여 나노스케일에서 강력하고 국소화된 가열을 생성하기.
• 광학적 및 자기적 특성 분석을 통해 열에 의한 자화 모멘트 역전 및 극성 변화를 모니터링하기.
• 플라스모닉 자극 하에서 나노자기체의 열 반응을 모델링하여 가열 역학을 예측하고 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라스모닉 나노히터는 어레이 내 개별 나노자기체에 대해 피코초 이하의 공간 선택적 가열을 가능하게 하는가?
• RQ2 입사 광선의 편광은 자기 어레이 내 서브레티스펙픽 간의 가열 선택성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 플라스모닉 가열은 자기 극성장을 얼마나 효과적으로 감소시키며, 열적 활성화 모멘트 역전을 유도하는가?
• RQ4 플라스모닉 보조 광열화를 통해 나노자기체 시스템에서 도달 가능한 최대 온도 상승은 얼마인가?
• RQ5 광학적 매개변수를 조절하여 기능적 자기 메타물질을 위한 민첩하고 재구성 가능한 열화를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 플라스모닉 보조 광열화는 나노자기체 요소에서 최대 수백 켈빈에 이르는 온도 상승을 실현한다.
• 플라스모닉 가열에 의한 열적 회복은 자기 극성장을 뚜렷하게 감소시킨다.
• 기하학적으로 길쭉한 플라스모닉 나노구조체에서의 편광에 의존하는 흡수를 통해 서브레티스펙픽 가열이 가능해진다.
• 열화는 피코초 이하의 시간 스케일에서 발생하여 자기 상태의 초고속 제어를 가능하게 한다.
• 초점 위치, 편광, 출력 및 펄스 길이 등의 광학적 제어를 통해 민첩하고 요소 선택적 열화가 가능하다.
• 이 방법은 비접촉식, 고속이며 공간 해상도가 높은 열화를 가능하게 하여 나노자기논리 및 인공 스핀 시스템에 적합하다.